4.3  落錘撕裂實(shí)驗(yàn)（Drop Weight Tear Test)

落錘撕裂實(shí)驗(yàn)DWTT早期主要用于根據(jù)斷口形貌確定鐵素體鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，近年來也用于評價(jià)材料的斷裂韌性。同CVN實(shí)驗(yàn)相比，它的試樣尺寸較大，錘刃更為厚重，因而要求試驗(yàn)機(jī)具備更高的沖擊能量。

圖4-8和圖4-9分別表示DWTT的試樣標(biāo)準(zhǔn)和斷口形貌。

GB 8363-87和ASMM E436規(guī)定試樣外形尺寸為300×75mm，缺口深度為5mm，厚度即為原板厚度。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，對有上臺能的控軋鋼進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)DWTT實(shí)驗(yàn)比夏比沖擊實(shí)驗(yàn)在評價(jià)延性裂紋擴(kuò)展行為上有更好的對應(yīng)關(guān)系。但對于高韌性的淬火回火鋼，標(biāo)準(zhǔn)DWTT試樣由于在起裂過程中吸收了大量的功，致使裂紋擴(kuò)展的應(yīng)變速度過低而與真實(shí)擴(kuò)展?fàn)顩r不符。采用靜態(tài)預(yù)制裂紋DWTT試樣或雙試樣DWTT法是解決這一問題的兩種方案，如圖4-10所示。

在預(yù)制裂紋DWTT實(shí)驗(yàn)中，起裂功由于預(yù)開裂紋的原因基本上被消除了；在雙試樣DWTT實(shí)驗(yàn)中，采用了V形槽和DWTT試樣，這種試樣對V形缺口根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求進(jìn)行了修正，在后端加開了凹槽，兩次實(shí)驗(yàn)的開槽深度不同，以其DWTT功的差作為最終評價(jià)的依據(jù)，有效地抵消了起裂功。這樣實(shí)驗(yàn)得到的DWTT功只有裂紋擴(kuò)展功，能夠很好地估計(jì)延性裂紋的擴(kuò)展。

DWTT實(shí)驗(yàn)過程中也會發(fā)生斷口分離，如圖4-11所示。DWTT分離形貌與全尺寸行為在相同溫度下很相似，CVN則明顯不同。

DWTT試樣的斷口分離平行于鋼板表面，垂直于斷一口平面。鋼材從高溫軋制冷卻到接近于低溫相變溫度時，厚度方向上發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，形成貝氏體或馬氏體板條束，引起平行于板材平面的方向發(fā)生開裂。板材越厚，裂紋尖端塑性區(qū)的應(yīng)力越大，越容易發(fā)生斷口分離。

隨著裂紋擴(kuò)展成為一系列小的薄片，斷口分離使得軸向傳播的裂紋尖端充分顯露出來，從而減小了管子的有效壁厚，降低韌脆轉(zhuǎn)化溫度，使材料整體上更適于低溫使用。當(dāng)斷口表面發(fā)生大量分離時，相應(yīng)的延性斷裂功會有所降低。為了準(zhǔn)確地測定材料的斷裂韌性，應(yīng)盡可能避免斷口分離現(xiàn)象的發(fā)生。

與CVN實(shí)驗(yàn)類似，DWTT沖擊韌性也隨溫度的升高而增加。圖4-12給出了與圖4-6相對應(yīng)的具有上臺能的控軋鋼材標(biāo)準(zhǔn)DWTT吸收功與溫度的變化關(guān)系。DWTT試樣和夏比試樣的厚度差異導(dǎo)致了兩圖85%SATT不同。

圖4-13比較了在延性和脆性斷裂中有無斷口分離試樣的DWTT韌性值。結(jié)論與CVN實(shí)驗(yàn)類似，發(fā)生斷口分離的試樣，測得韌性值略低。

4.4  CVN實(shí)驗(yàn)與DWTT實(shí)驗(yàn)的比較研究

CVN實(shí)驗(yàn)是被廣泛采用的測定鋼材斷裂韌性的方式。近二十年來的研究工作表明，隨著管線輸送技術(shù)的發(fā)展，就高韌性鋼而言，基于DWTT實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比CVN實(shí)驗(yàn)更準(zhǔn)確。對于這種現(xiàn)象成因的解釋一般基于以下幾種觀點(diǎn)：

●錘擊速度。CVN和DWTT實(shí)驗(yàn)的錘擊速度均小于全尺寸實(shí)驗(yàn)裂紋的擴(kuò)展速度，相比之下DWTT實(shí)驗(yàn)的錘擊速度更高，更接近真實(shí)狀態(tài)。隨著輸送壓力的提高，斷裂擴(kuò)展速度大幅提升，CVN實(shí)驗(yàn)的擺錘撞擊速度比真實(shí)斷裂速度低引起的能量耗散上的非線性差異更加突出：

●尺寸效應(yīng)。CVN實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣厚度小于管道壁厚，使止裂韌性預(yù)測發(fā)生偏差；而DWTT實(shí)驗(yàn)測定止裂韌性一般采用全厚度試樣，這與它用于評價(jià)韌脆轉(zhuǎn)變溫度時一致，裂紋的斷裂路徑比夏比試樣更長，因此完全剪切撕裂破壞可以像全尺寸斷裂行為那樣得到充分的發(fā)展。對于高韌性材料，CVN實(shí)驗(yàn)中為采用試樣標(biāo)準(zhǔn)厚度而對原管壁進(jìn)行加工對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響更為顯著；

●缺口形狀。DWTT試樣的尺寸比CVN試樣寬闊，利于調(diào)整缺口形狀和性質(zhì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨于精確。除采用預(yù)開裂試件或雙V形槽試件的方法消除起裂功以外，缺口的角度和脆性都對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響；

●試驗(yàn)機(jī)容量。CVN和DWTT試驗(yàn)機(jī)的過剩能容量可以有很大的不同，通常DWTT設(shè)備的過剩能容量是相同的CVN設(shè)備的兩個數(shù)量級以上。一般認(rèn)為儀器容量相當(dāng)于最高韌性樣品能量的五倍即是具有足夠的過剩能量。在此范圍之內(nèi)，過剩能量的多少是影響CVN和DWTT實(shí)驗(yàn)斷口形貌和韌性數(shù)值的最主要因素。

在已進(jìn)行的大多數(shù)全尺寸實(shí)驗(yàn)中，對鋼材斷裂性能的描述漢限于CVN沖擊能量方面。如果能夠保存實(shí)際止裂點(diǎn)處鋼材的性能，便可制作試樣取得止裂所需的DWTT能量數(shù)據(jù)。實(shí)際上無法做到這一點(diǎn)，這意味著只有找到DW竹韌性和CVN韌性之間的關(guān)系，已有的裂紋擴(kuò)展全尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫才能用于DWTT吸收功做止裂預(yù)測。因而從實(shí)用的角度來看，應(yīng)該建立同種材料的夏比吸收功和DWTT功之間的大致對應(yīng)關(guān)系。

Wilkowski對老式控軋鋼，包括有無上臺能的情況做了檢驗(yàn)，得到標(biāo)準(zhǔn)DWTT韌性和夏比韌性的對應(yīng)關(guān)系：

d_s=3c_KV+0.63                      （4-2）

日本HLP委員會在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上針對淬火回火高韌性鋼進(jìn)行了調(diào)整：

D_s=5.9h^1.5C_KV^0.544                （4-3）

上兩式中D_s表示標(biāo)準(zhǔn)DWTT吸收功相應(yīng)的，d_s表示標(biāo)準(zhǔn)DWTT韌性值，即單位面積的DWTT吸收功。C_KV和c_KV分別表示全尺寸試樣的夏比沖擊功和沖擊韌性值，即單位面積的夏比沖擊功。h為壁厚，mm。

本文根據(jù)我們最近的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正了（4-3）式的系數(shù)：

D_s=3.5h^1.5C_KV^0.6                （4-4）

圖4-14將（4.2）～（4.4）式預(yù)測的對應(yīng)關(guān)系同真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了對比�？梢钥吹綄τ谙嘟�的CVN韌性預(yù)測結(jié)果，實(shí)際的DWTT功從低到高在大范圍內(nèi)分布。

由于DWTT實(shí)驗(yàn)和Charpy沖擊實(shí)驗(yàn)存在根本區(qū)別，實(shí)驗(yàn)結(jié)果受試驗(yàn)機(jī)過剩容量、斷口分離情況、起裂功比例不同、尺寸效應(yīng)、錘擊速度差異等因素的直接影響，DWTT實(shí)驗(yàn)和夏比實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間對應(yīng)關(guān)系的分散性不可避免。總結(jié)二者之間近似的對應(yīng)關(guān)系，目的是給通過DWTT韌性的止裂預(yù)測提供更多的實(shí)測參考。

4.5  雙試件DWTT法測定G_d和（CTOA）c

（CTOA）c可以通過攝像機(jī)從實(shí)物裂紋擴(kuò)展的照片上觀測得到，也可同CVN或DWTT實(shí)驗(yàn)建立聯(lián)系。Wilkowski分別建立了基于CVN和DWTT吸收功的（CTOA）c經(jīng)驗(yàn)算法，模型如圖4-15。另一種方法是通過測定作用于試件上的總功，從裂紋擴(kuò)展能的角度計(jì)算（CTOA）c。

Wilkowski從實(shí)驗(yàn)歸納了夏比沖擊韌性和（CTOA）c之間的關(guān)系：

（CTOA）c=                        （4-5）

式中k是待定系數(shù)，σ_fd是動態(tài)流變應(yīng)力（MPa)，σ_fd=1.3σ_f=0.65（σ_y+σ_u），σ_y為屈服應(yīng)力，σ_u為拉伸強(qiáng)度，c_KV是單位面積的夏比沖擊韌性（J/mm²）。

比較常用的（CTOA）c。實(shí)驗(yàn)室測定是雙試樣DWTT法。美國西南研究院SwRI發(fā)展了這一模型，測得的（CTOA）c可如下表示：

式中為槽深為a的V形槽DWTT韌性（J/mm²)；a_l、a₂為V形槽深度（mm)；a_fd是動態(tài)屈服應(yīng)力（MPa）。

大量的實(shí)驗(yàn)表明，在高韌性鋼的沖擊實(shí)驗(yàn)中，裂紋成長大約一個壁厚以后CTOA即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展持續(xù)到初始韌帶寬度的40%為止。夏比實(shí)驗(yàn)的韌帶寬度尚不足一個壁厚，斷裂行為難以得到持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展。

雙試樣DWTT法測（CTOA）c因其簡便易行和結(jié)果可信被廣泛采用。據(jù)此對西氣東輸采用的某管道工況做了止裂性能的靜態(tài)評價(jià)，列于表4-1和表4-2中。

表4-1列出了一種X7O管材的力學(xué)性能的測試結(jié)果，并根據(jù)式（4-8）估算了（CTOA）_max，其中參數(shù)取p=l0MPa,D=1ll8mm，E=14.7mm，E=2.1×10⁵MPa。

表4-1 西氣東輸1550×14.7mmX70板材強(qiáng)度

	頭部		中部		尾部
	實(shí)測	平均	實(shí)測	平均	實(shí)測	平均
屈服強(qiáng)度 （MPa）	615	606	610	594	610	588
	593		582		582
	623		590		584
	592		594		575
抗拉強(qiáng)度 （MPa）	705	705	740	735	695	690
	705		725		682
	707		739		691
	704		734		691
流變應(yīng)力（MPa）	656		665		639
動態(tài)流變應(yīng)力（MPa）	852		864		831
（CTOA）max（°）	9.98		9.87		10.2

臨界狀態(tài)下，最大的延性裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力等于材料的延性裂紋擴(kuò)展阻力，即（CTOA）_max=（CTOA）c。文獻(xiàn)中給出了估算管道裂紋擴(kuò)展中（CTOA）_max的公式：

上式中σ_h是初始管道壓力下的環(huán)向應(yīng)力：σ_h=pD/2h，σ_f是材料的流變應(yīng)力，E是鋼材的楊氏模量，P是輸送壓力，D是管道直徑，h是管道壁厚。C、m、n和q是特定的常數(shù)：C=106，m=0.753，n=0.778，q=0.65。

表4-2給出了通過同種管材的雙試樣DWTT實(shí)驗(yàn)，經(jīng)式（4-6）和（3-32）得到的（CTOA）c和G_d的值，并作了止裂預(yù)測。

表4-2 西氣東輸1550×14.7mmX70板材雙試樣DWTT實(shí)驗(yàn)結(jié)果

缺口深度	溫度℃	頭部		中部		尾部
		吸收功（J）	平均（J）	吸收功（J）	平均（J）	吸收功（J）	平均（J）
10mm	20	5120	5080	4310	4453	5520	5403
		5070		4400		5360
		5050		4650		5330
	-10	4730	4347	3820	3713	4900	4730
		3820		3300		4290
		4490		4020		5000
36mm	20	2300	2223	1760	1860	2230	2250
		2240		1890		2100
		2130		1930		2420
	-10	1880	1773	1180	1297	1540	1683
		1620		1310		1830
		1820		1400		1680
（CTOA）c（°）	20	9.57（擴(kuò)展）		9.29（擴(kuò)展）>		11.8（止裂）
	-10	9.69（擴(kuò)展）		10.6（止裂）		13.7（止裂）
Gd （KN/m）	20	7.48		7.26		9.22
	-10	7.57		8.29		10.7

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